La mise en forme par ice-templating est un procédé d'élaboration permettant via la congélation d'une suspension, d'obtenir des matériaux poreux à porosité contrôlée. L'analyse des mécanismes régissant la congélation de suspensions concentrées en particules et leurs conséquences sur les microstructures poreuses, est très peu développée dans la littérature du point de vue de l'influence de la composition de la suspension, en termes de nature et quantité d'additifs. Les objectifs de ces travaux de thèse sont d'observer et caractériser in situ et ex situ la formation des structures par ice-templating. Il s'agit également d'établir les liens entre la composition des suspensions, le procédé et la morphologie poreuse obtenue pour les structures congelées et frittées qui en découlent. L'évolution de l'avancée du front de congélation d'un panel de suspensions d'alumine aux propriétés caractérisées a été observée par radiographie X et la microstructure des échantillons congelés et frittés a été caractérisée par tomographie X ou par MEB. Nous avons ainsi pu caractériser les différentes étapes de la congélation par ice templating, les microstructures congelées associées, l'influence de la composition de la suspension ainsi que les mécanismes générateurs de défauts. La force ionique générée par la quantité de dispersant, la présence ou non de liant et la vitesse de refroidissement des suspensions sont trois paramètres ayant des conséquences critiques sur la microstructure et sur l'orientation ou la désorientation des cristaux. Nos résultats apportent un éclairage inédit sur les mécanismes de congélation des sols étudiés en géophysique et notamment la formation de glace lenticulaire.

La mise en forme par ice-templating est un procédé d’élaboration permettant via la congélation d’une suspension, d’obtenir des matériaux poreux à porosité contrôlée. L’analyse des mécanismes régissant la congélation de suspensions concentrées en particules et leurs conséquences sur les microstructures poreuses, est très peu développée dans la littérature du point de vue de l’influence de la composition de la suspension, en termes de nature et quantité d’additifs. Les objectifs de ces travaux de thèse sont d’observer et caractériser in situ et ex situ la formation des structures par ice-templating. Il s’agit également d’établir les liens entre la composition des suspensions, le procédé et la morphologie poreuse obtenue pour les structures congelées et frittées qui en découlent. L’évolution de l’avancée du front de congélation d’un panel de suspensions d’alumine aux propriétés caractérisées a été observée par radiographie X et la microstructure des échantillons congelés et frittés a été caractérisée par tomographie X ou par MEB. Nous avons ainsi pu caractériser les différentes étapes de la congélation par ice templating, les microstructures congelées associées, l’influence de la composition de la suspension ainsi que les mécanismes générateurs de défauts. La force ionique générée par la quantité de dispersant, la présence ou non de liant et la vitesse de refroidissement des suspensions sont trois paramètres ayant des conséquences critiques sur la microstructure et sur l’orientation ou la désorientation des cristaux. Nos résultats apportent un éclairage inédit sur les mécanismes de congélation des sols étudiés en géophysique et notamment la formation de glace lenticulaire. / Ice-templating is a processing route used to obtain porous material with a controlled porosity by freezing a suspension. Researches focused on this subject so far revealed a lack of information about mechanisms controlling the freezing of suspensions with a high solid loading and their consequences over porous microstructures, depending on the composition of the suspension in terms of additives nature and quantity. The objectives of this work are to observe and characterize in and ex situ the formation of structures by ice-templating and to establish the relationships between the composition of suspensions, process and porous morphology of frozen and sintered bodies. The advancement of the freezing front of a panel of alumina suspensions, with characterized properties was investigated by X-ray radiography and the microstructures of frozen or sintered samples were characterized by X-ray tomography and SEM. We have defined the different stages of the freezing by ice-templating, the associated frozen and sintered microstructures, the influence of the composition of the suspension and the mechanisms responsible for defects creation. The ionic strength generated by the dispersant quantity, the addition or not of a binder and the cooling rate of suspension are three parameters with critical consequences on microstructures, orientation and disorientation of ice crystals. Our results shed a new light on the freezing mechanisms of soils in geophysics and more particularly the ice lenses formation.

La rentabilité des cellules à base de silicium est un point essentiel pour le marché photovoltaïque et cela passe notamment par l'amélioration du rendement électrique, la baisse des coûts de production ainsi que le renforcement de la fiabilité/durabilité des wafers. Des procédés innovants émergent, qui permettent d'obtenir des wafers ultra minces avec moins de perte de matière première. Cependant il est nécessaire de mettre en place des méthodes de caractérisation afin d’analyser la rigidité et la tenue mécanique de ces matériaux. Dans ce travail, des essais de flexion ont été effectués pour caractériser à la fois la rigidité et la rupture. Afin d’étudier la rupture fragile, une caméra rapide a été utilisée, des analyses fractographiques ont été menées. La diffraction d'électrons rétrodiffusés et la diffraction par rayon X de Laue ont été utilisées afin d'explorer le lien entre les orientations cristallographiques et les comportements observés. Conjointement, des simulations numériques EF ont été mise en place. Grâce à ce couplage expériences-simulations numériques, une caractérisation fiable de la rigidité des wafers a été effectuée. Une stratégie d'identification de l'origine de la rupture est également proposée. L'étude de la rupture du silicium monocristallin a mis en évidence la stabilité du clivage (110), la grande vitesse d'amorçage de la fissure, la dépendance de la forme du front de fissure à la vitesse de propagation ainsi que l'apparition de "Front Waves" pour les fissures à très grande vitesse. L'étude de la rupture des wafers multi-cristallins démontre une fissuration intra-granulaire. Des éprouvettes jumelles ont permis d’étudier la répétabilité du chemin de fissuration : une attention particulière a été portée à la nature des plans de clivage ainsi que l'effet des joints de grains. Enfin, une modélisation par la méthode des éléments finis étendus est proposée. Elle permet de reproduire le chemin de fissuration expérimentalement observé. / The profitability of silicon solar cells is a critical point for the PV market and it requires improved electrical performance, lower wafer production costs and enhancing reliability and durability of the cells. Innovative processes are emerging that provide thinner wafers with less raw material loss. But the induced crystallinity and distribution of defects compared to the classical wafers are unclear. It is therefore necessary to develop methods of microstructural and mechanical characterization to assess the rigidity and mechanical strength of these materials. In this work, 4-point bending tests were performed under quasi-static loading. This allowed to conduct both the stiffness estimation and the rupture study. A high speed camera was set up in order to track the fracture process thanks to a 45° tilted mirror. Fractographic analysis were performed using confocal optical microscope, scanning electron microscope and atomic force microscope. Electron Back-Scatter Diffraction and Laue X-Ray diffraction were used to explore the relationship between the microstructural grains orientations/textures of our material and the observed mechanical behavior. Jointly, finite element modeling and simulations were carried out to provide auxiliary characterization tools and help to understand the involved fracture mechanism. Thanks to the experiment-simulation coupled method, we have assessed accurately the rigidity of silicon wafers stemming from different manufacturing processes. A fracture origin identification strategy has been proposed combining high speed imaging and post-mortem fractography. Fracture investigations on silicon single crystals have highlighted the deflection free (110) cleavage path, the high initial crack velocity, the velocity dependent crack front shape and the onset of front waves in high velocity crack propagation. The investigations on the fracture of multi-crystalline wafers demonstrate a systematic transgranular cracking. Furthermore, thanks to twin multi-crystalline silicon plates, we have addressed the crack path reproducibility. A special attention has been paid to the nature of the cleavage planes and the grain boundaries barrier effect. Finally, based on these observations, an extended finite element model (XFEM) has been carried out which fairly reproduces the experimental crack path.

Actuellement, la qualité de l’imagerie provenant de systèmes optiques spatiaux est limitée par la taille de leurs miroirs et la masse des structures supportant le miroir. Le développement de systèmes athermiques légers (un seul matériau) constitue le principal challenge dans l’amélioration de ces systèmes. De matériaux légers, résistants mécaniquement (E/ρ3 > 10, σf > 100 MPa) et stables thermiquement (< 2,0.e-6/K) doivent être développés. Dans ce cadre, notre travail porte sur l’élaboration de composites céramiques associant un matériau à coefficient de dilatation thermique (CTE) positif résistant mécaniquement (alumine ou zircone cériée) et un matériau à CTE très négatif (tungstate de zirconium ou β-eucryptite). L'étude du tungstate de zirconium a révélé plusieurs problèmes de décomposition et de réactions avec certaines matrices oxydes, menant à l’abandon de cet oxyde dans l’élaboration des composites. Dans le cas de la β-eucryptite, un phénomène de vermiculation a été mis en évidence, conduisant à la formation d’une porosité intragranulaire. L’optimisation des paramètres de frittage a permis de limiter cette porosité. L’étude du comportement thermique de la β-eucryptite confirme que son CTE très négatif provient principalement d’un phénomène de fissuration, généré par l’anisotropie de dilatation de sa maille cristalline. Cette fissuration est dépendante de la taille des grains mais également de la taille des agrégats de grains dans le cas des poudres. Ainsi, bien que le CTE intrinsèque de la β-eucryptite soit très faible (-0,4.e-6/K), son CTE extrinsèque peut atteindre des valeurs jusqu'à -10,9.e-6/K selon les conditions d’élaboration. Dans ce travail, deux stratégies d’élaboration de composites sont étudiées. Le premier cas consiste à diminuer le CTE des matrices oxydes à partir d’une poudre de β-eucryptite non microfissurée (-0,4.e-6/K) tandis que le second cas consiste à obtenir des matériaux à CTE très faible à partir d’une poudre de β-eucryptite microfissurée (-3,0.e-6/K). Lors de l’utilisation de la matrice en zircone cériée, le taux de dopage au cérium est optimisé afin de limiter la transformation de phase de la zircone. Cette transformation, induite par les contraintes de tension exercées par la β-eucryptite, affecte la linéarité du comportement thermique du composite. Dans les deux cas d’étude, les composites denses montrent une modification du CTE intrinsèque de la β-eucryptite passant de -0,4.e-6/K à plus de +3,2.e-6/K en raison des contraintes de compression appliquées par la matrice (alumine ou zircone cériée). La relaxation de ces contraintes nécessite une sous-densification des composites. A partir de ces observations, différents composites à CTE très faible sont élaborés. Toutefois, le sous-frittage des composites associé à la microfissuration de la β-eucryptite diminuent fortement les propriétés mécaniques des matériaux ainsi élaborés. / High resolution satellite imagery from space optical systems is mainly limited by the mirror size and the mass of structures supporting the mirror. Nowadays, the development of light athermal systems is the major challenge to improve these optical systems. So, light materials having good mechanical properties (E/ρ3 > 10, σf > 100 MPa) and thermal stability (< 2.0e-6/K) are required. Within this context, our project consists in processing new ceramic composites by combining positive thermal expansion coefficient (TEC) materials having good mechanical properties (alumina or ceria doped zirconia) and negative TEC materials (zirconium tungstate or β-eucryptite) The processing of zirconium tungstate-based materials showed several decomposition and chemical reactions with some oxide matrix leading to its giving up. In the case of β-eucryptite, vermicular phenomenon occurs during sintering leading to the formation of intragranular porosity. Sintering parameters optimization can limit this porosity. The study of the thermal behavior of pure β-eucryptite materials shows that the very negative TEC results from microcracking, generated by the TEC anisotropy of its crystal lattice. This microcracking depends on the grain size and the aggregate size in the case of powder materials. Despite the fact that the TEC of its lattice (called intrinsic TE C equals to -0.4e-6/K) is very low, its bulk (or extrinsic) TEC can reach values until -10.9e-6/K according to the processing conditions. In this work, two strategies for developing composites were studied. The first one consists in decreasing the matrix TEC using an uncracked β-eucryptite powder (-0.4e-6/K) while the second one consists in elaborating near zero TEC materials from a microcracked β-eucryptite powder (-3.0e-6/K). When ceria-doped zirconia is used, ceria content must be adjusted in order to limit zirconia phase transformation. This transformation is driven by tensile stresses induced by the β-eucryptite and modifies the composite thermal behavior linearity. In both studied cases, dense composites show a modification of the β-eucryptite intrinsic TEC from -0.4e-6/K to more than +3.2e-6/K as a consequence of compressive stresses applied by the oxide matrix. An uncompleted densification of composites is required to relax these stresses. Taking into account these observations, several very low TEC composites were elaborated. However, the uncompleted densification of composites and the β-eucryptite microcracking greatly decrease the mechanical properties of these materials.

Les alliages Mg-Ca sont des alliages biocompatibles et biodégradables largement utilisés pour des applications biomédicales comme prothèses bio-résorbables. Ils sont très utilisés car leurs taux de corrosion et de dégradation dans l'organisme peuvent être contrôlés par le taux de calcium et par l'influence du milieu d'implantation. Ces solutions ont inspirées le Groupe SEB qui cherche à mettre au point un procédé fiable de minéralisation d'une eau par dissolution d'alliages Mg-Ca. L'objectif de ce travail de thèse est double, à savoir, la conception des alliages Mg-Ca pour ce procédé, en choisissant les techniques de production adaptées et les paramètres d'élaborations optimisés, puis, la mise en œuvre d'un processus de dissolution assisté par un courant et la maîtrise des paramètres de dissolution. Le magnésium et le calcium étant des métaux très réactifs au contact de l'atmosphère, l'élaboration d'alliages Mg-Ca se fait sous atmosphère neutre. Il est possible d'obtenir une microstructure stable avec des teneurs en calcium comprises entre 0% et 33% atomique, lorsque le calcium et le magnésium forment l'intermétallique Mg2Ca. Lors du refroidissement du mélange métallique à fusion, il se forme une microstructure d'équilibre constituée de dendrites (de Mg si 0 at.% < Ca < 10 at.% et de Mg2Ca si 10 at.% < Ca < 33 at.%) et d'un agrégat eutectique lamellaire composé de Mg et de Mg2Ca. La dissolution anodique d'alliages Mg-Ca s'effectue par l'application d'une différence de potentiel entre une électrode constituée de l'alliage à dissoudre et une contre électrode constituée d'un métal plus noble. Il a été mis en évidence que les relargages d'ions Mg2+ et Ca2+ en solution peuvent être augmentés en diminuant la chute ohmique entre les électrodes (distance minimale, tension appliquée maximale) et en augmentant la réactivité du processus (alliages riches en calcium, conductivité et minéralité de la solution, durée de dissolution et surfaces exposées importantes). Cependant, les forts relargages d'ions Mg2+ et Ca2+, qui alcalinisent fortement la solution, favorisent la formation de précipités limitant la dissolution tels que le tartre, les oxydes et hydroxydes de magnésium et de calcium. Plusieurs solutions pour réguler le pH de la solution et optimiser les relargages de cations Mg2+ et Ca2+ ont été envisagées. / The Mg-Ca alloys are biocompatible and biodegradable alloys widely used for biomedical applications such as bioresorbable implants because of their corrosion rate and degradation behaviour into human body. These solutions have inspired the SEB Group to develop a new process for the mineralization of water by dissolving Mg-Ca alloys. The objective of this thesis is to design new Mg-Ca alloys choosing the appropriate production techniques and optimizing elaborations settings and then, to work on the dissolution process assisted by a current controling of dissolution parameters. Magnesium and calcium being very reactive metal in contact with the atmosphere, the development Mg-Ca alloys was done in a neutral atmosphere. It is possible to obtain a stable microstructure with calcium contents between 0% and 33 atomic% through the intermetallic form Mg2Ca. It's possible to obtain equilibrium microstructures consisting of dendrites (Mg if 0 at.% <Ca <10 at.% And Mg2Ca if 10 at.% <Ca <33 at.%) and a lamellar eutectic aggregate made from Mg and Mg2Ca. Anodic dissolution of Mg-Ca alloys is made by applying a potential between one electrode made from the Mg-Ca alloy and a counter electrode made from a more noble metal. It has been demonstrated that the releases of Mg2+ and Ca2+ in solution may be controlled throught the decrease of the resistance drop between the electrodes (minimum distance, maximum applied voltage) and the increase of the process reactivity (rich alloys calcium, mineral and conductivity of the solution, dissolving time and significant exposed surfaces). However, strong releases of Mg2+ and Ca2+, which strongly alkalize the solution, promote the formation of precipitates limiting dissolution rate such as scale, oxides and hydroxides formation. Several solutions to regulate the pH of the solution and optimize the releases of cation Mg2+ and Ca2+ were considered.